有了学有所长的人，又有了新的观测仪器，熙宁八年（1075年）闰四月，由沈括和卫朴通力合作修成的新历《奉元历》，正式颁行了。新历以365.243585日为一年，这同现在实测的365.2422日比较，虽稍大却比宋朝已颁行的历法都准确。因此，新历受到人们的好评，宋神宗也对此大加赞赏。
但由于实测的时间不长，数据不够丰富，因此新历没有达到应有的水平。元祐五年（1090年）发生了冬至落后一天的误差。但是，沈括靠实测修历的原则对后世产生了深远影响，郭守敬的《授时历》就是遵循沈括的修历原则而修成的，它使古代历法跃上了新的台阶！
在主管司天监期间，通过测定日影，沈括对“蒙气差”现象作出了科学的解释。“蒙气差”是天体发出的光从空气稀薄的外层空间进入地球大气时所发生的光线折射现象。就像把一枝铅笔放在盛有水的玻璃杯中，看上去铅笔就好像发生弯曲一样，然而实际上是光线折射现象所引起的。所以沈括认为，人们在地面上看到的太阳位置，不是太阳的实际位置；人们看到的太阳高度，比实际上的太阳高度要高。他对“蒙气差”的这一解释，比西方要早500多年。
激流勇进的变法骨干
沈括是位有杰出成就的科学家，又是一个有先进思想的政治家。他是王安石变法运动中的一个骨干人物。
北宋初年五代十国的分裂局面结束了，政局相对稳定，社会经济较前代有了很大的发展。但到了沈括为官时，建立了100余年的北宋，已暴露出了封建国家的各项固有矛盾。豪强地主大量兼并土地，广大农民却无立锥之地；外患纷乱，北有辽国、西有西夏，后来又有金国，他们不断犯边，使得北宋政府增加大量赋税以备军费；北宋政府官员剧增，各项开支浩繁，更使得统治阶层加重对广大平民的压榨。许多农民辛苦一年收的粮食，几乎全被官府收走充做多如牛毛的赋税，他们只能以糠麸、菜根、植物的果实等度日。民不聊生，官逼民反。沈括之时，就发生过京东王伦，京西张海、郭邈三，河北王则等领导的农民起义。
社会矛盾如此尖锐，使得北宋统治者不得不考虑改弦更张。代表中下层地主利益的王安石提出了推行新法的建议，希望通过变法使得社会矛盾得以缓和，国家实力得以增强。宋神宗接受了王安石变法的主张。熙宁二年（1069年），变法运动正式开始。
沈括与王安石早就相识，两人的思想有许多一致的地方，所以二人是知己。沈括多年在基层为官，了解社会现象和农民疾苦，对社会积弊深有感触。
他也认为只有通过一场大的政治改革，抑制兼并，减轻赋税，兴修水利，使得国富兵强而最终解决社会危机。所以当变法运动刚一酝酿，沈括就积极参加进去。然而这时沈括的母亲去世，他送灵柩回故乡钱塘安葬，处理完丧事后返回京城开封已是第二年。此时变法运动正方兴未艾，王安石被拜为宰相，均输法、青苗法、农田水利法等一系列新法相继制定、推行。这些措施使得社会经济有了一定程度的发展，暂时缓和了日益发展的社会矛盾，劳动者的负担相对减轻，整个国家实力也有了提高。
看到这种局面，沈括更加积极地投入到这场运动之中。沈括当时任太子中允、检正中书刑房公事之职，官位虽不很高却握有实权，许多变法规划都有他的参与。沈括利用自己的科学才能积极为推行变法、富国强兵而服务。
首先是疏浚和整治汴水。
整治汴水是推行农田水利法的重要保证之一。北宋京师的给养输送，主要依靠汴水水运，如果汴水淤塞，则京师的物资供应就会受到严重威胁。而此时，汴水淤塞的问题已很严重，因为汴水引自黄河，自然就携带大量的泥沙，由于年久失修，河床逐渐增高，有的地方河床已经比堤外地面高出三四米形成“地上河”。这样，河堤一旦溃决，非但物资无法运输，堤旁的千家万户都有生命之忧。如此情况下，能否疏浚汴水，化险为夷，是直接关系到新法推行成败的大问题。
沈括受命治汴后，认真地进行了疏浚河道和测量工作。他认为，如果仍然引黄河水作为汴河的水源，即使这次疏通，天长日久后也会再次淤塞，所以治汴的关键在治本，即水源问题，最好能引水质较清的洛河水入汴。为了达到这个目的，根治汴河，他对汴河的地势进行了非常详细的测量。
测量的地段，从开封上善门起，至泗州（今江苏盱眙地区）止，这段是汴河的关键地段，长度是840里又130步，这是比较容易测量的。
关键是两地地势高低的差别，而这用一般的测量工具是无法得到准确数字的。但这难不倒博学多识的沈括，他创造了一种新的测量方法——分层筑堰法。沈括先指导民工把开挖汴河时取土形成的堤外小沟开通，形成一条与汴河平行的小河道；然后往里灌水，使水积蓄在地势最低的泗州一段的河道。
当水面平稳时，靠近上游的河段就逐渐形成浅涸；在这筑一道横截小沟的堤堰，再往上游方向灌水，如此直到开封河段。因为小沟中的水是静止与水平的，因此可以把堤堰的分层看成是一级级台阶。只要测量各级堤堰的水平面，将其各层高度加以比较即可。最后，沈括测得京城附近的地势，要比泗州高出19丈4尺8寸6分。沈括的这种测量地势的方法，开创了世界测量史上的先河。
汴河地势的测量完成，为引洛水入汴开创了便利条件。元丰二年（1079年），工程完成，取名为“清汴”。由于有了新的水源，就封闭了黄河入汴的水口，减少了泥沙的淤塞，使堤坎不会再有被决的危险，水患被根除；同时更加方便了开封与各地的物资交流。这一切都是与沈括的建议和测量分不开的。
熙宁六年（1073年）六月，在王安石的举荐下，沈括受命前往两浙（今江苏、浙江等地）视察农田水利及差役等方面情况。他一到任，就同地方官员协商整修水利之事；同时，他亲自到各地进行实地调查、处理问题。在常州、润州，他招募饥民兴修水利；在苏州、秀州，他指导疏浚湖滨；在温州、台州、明州等地，他发动百姓围海筑堤来保护东部临海的田地。这么多的农田水利工程，对于两浙农业经济的发展，起到了很大的作用。
为了减轻百姓的负担，沈括向朝廷提出建议，减免两浙人民每年额外上供的12万匹绢帛，得到批准。早在沈括担任地方官时，他就发现农民生活贫苦的一个重要原因：每当秋收，粮食多而价格很低，而此时农民又需钱用，就只得将粮卖给大户；到了青黄不接之际，农民无以为食只得高价向大户买点口粮。这样，大地主大商贾大发其利，广大农民却愈发困苦。鉴于这种情况，沈括建议各地官府设立机构，收粮时平价购入，粮乏时平价卖出，以解决农民的实际问题。这一建议被朝廷采纳。沈括注意体恤民情，由此可见一斑。
在处理政务的闲暇之余，他继续了自己的科学研究。1074年春，沈括来到浙东的温州地区，听说雁荡山风景奇美，就决定去游览一番。他刚进入雁荡山区，并未发现什么特别的地方。可是进入深处后，他大吃一惊：山峰都是那样陡峻险怪，挺拔高耸，景色奇秀。原来这些山峰全坐落在谷地当中，四面被山包围着，所以从山外向里看就发现不了什么。更奇怪的是，从山外高处看，各峰顶与地面几乎相平，有的还低于周围山的山脚。
这种奇异的景象是如何形成的呢？沈括再一次进行仔细观察，探寻其中的奥秘。他踏遍谷内的山岭溪涧，发现山峰顶部都有岩石被水流侵蚀的痕迹，由此他得出结论：由于山谷中的泥沙被大水冲走，只剩下坚硬巨大的岩石高峻挺立，这就形成了山谷内千峰竞秀的奇特景色。由此他还联想到陕北一带的黄土高原中，突立的黄土柱往往高达几十米，这和雁荡山奇峰形成的原因一样，是水流长期冲刷的结果，只是一个为石，一个为土而已。
这年4月，沈括还朝。不久，辽国不断在边境挑衅，北方局势吃紧。为加强边境防御，朝廷任命沈括为河北西路察访使，任务是视察和整顿边防。
进入太行山区后，他突然发现远处山崖上横着一层怪怪的石壁，就像一条长带，走近一看，原来是许许多多的螺蚌壳和卵形砾石。
“山上怎么会有海边才有的东西？真是奇怪！”又走了一段路，沈括发现前面岩层中又有这样的东西。他取了一些样品，仔细观察了一番，一点不错，真是只有海里才有的东西，那为什么到这里了？沈括思索着。
“沧海桑田”，沈括想到了这句习语。“大海可以变为桑田、桑田也可以归于大海，这就是说海陆可以相互变迁。这里东离大海虽有千里之遥，但在上古时代可能就在海边，所以才会有这些东西。这一大片陆地都应是后来水流携带的泥沙沉积，并靠水流冲积而形成的。”
关于水流冲积可以形成陆地的观点，沈括是第一个提出来并做出解释的。西方提出这个观点的英国学者赫顿，是生活在600年之后的人了。
沈括到处视察边防后，发现薄弱环节就立即采取措施。他在半年时间内，经批准采取了30多项防务措施，这些对于保障边境人民的生命财产安全起到了积极的作用。
其中一项重要措施是挖掘陂塘。早在宋辽交战之初，两国接壤的河北平原上，为了阻挡辽军尤其是骑兵的前进，宋修筑大面积塘泊阻挡，这种措施起到一定的作用。但许多陂塘因年久失修，失去了防御价值。为了对付辽国新的进犯，沈括利用原来修建的陂塘，加以重修和扩建。例如徐村淀的修复。
此淀原是深州（今河北深县）北部的门户，防御作用很重要，因长期废弃已干涸，此时的深州城就直接暴露在辽国骑兵的铁蹄之下。经沈括设计，奏请朝廷批准后，花了两年时间引来河水注入淀内，形成了五十里水上防线。
沈括还积极在边境推行新法中的保甲制度。具体地说，就是每十户编成一保，有保长；十保为一大保，有大保长；十大保为一都保，有正副部保长。
保户中的男子为保丁，政府允许他们使用兵器，练习武器。这种制度的推行，可以做到寓兵于民，加强政府的军事力量。
此外，他还在边防线上的重要位置修筑城防，在交通枢纽处架设浮桥，在许多前沿阵地安置营寨等等。总之，沈括这次北方之行采取了许多措施，加强了北部边防。这是王安石变法的重要目的之一，富国强兵的一个主要内容。
沈括作为一名精通科学的政治家，十分注意在变法中为加强国家军事实力而研究军事学。由于他博学多才，又处事干练，所以备受器重，北方之行尚未结束，朝廷又委派了他新的职务兼制军器监。这是王安石变法中为增强军事实力，进行军事改革、加强兵器生产所设的新机构。沈括在任此职一年之中，结合自己很早就研究过的军事理论，在实际应用中进行更深一层的军事学研究并取得了可观的成绩：
一是修订完善了《九军阵法》。古代作战讲究排兵布阵，即阵法。阵法能否与作战时的客观形势相结合，使其利于发挥战斗力，是能否取胜的一个重要因素。当时的作战阵法是由郭固等人制定的，他的方案是让九军共为一营阵（行为阵，住为营），外面环绕一个驻队，这样就把十万军队集中在方圆十里的范围之内。各路帅府的将领和宋神宗对此阵法均不满意，宋神宗就令沈括重新制定。沈括经过仔细研究，发现这种阵法不利于实战，列阵方法有很大缺陷，在实战中是难以找到方圆十里而无山丘、河流、树林等障碍可供按图布阵的地方，这样的阵法也不利于士兵发挥个人战斗力。因此，他提出新的《九军阵法》方案：九军各自为阵，占据有利地形；前后左右分列，根据地形自成营阵。这样，作战时各军分合自如，敌人攻击一点则全军合力围攻。
沈括提出的新阵法，配合默契、运动自如，宋神宗下令颁行。后来，沈括把自己对于阵法的研究编著成《边州阵法》，被作为军事资料存于军事部门。
二是制造精制武器。首先他制造了新式兵车。兵车是我国古代一种很有威慑力的武器，它进攻时威力巨大，退时又能参与防守。沈括参考了古典文献，根据当时作战的实际需要，制造了新式兵车，挑选军士演习新的车战阵法，得到了宋神宗的赞许。沈括还对制造精良兵器的技术进行了科学研究。
他亲入兵器作坊，通过仔细观察研究了熟铁和钢的区别，同时他也掌握了冷锻和热锻两种不同的锻造方法。锻造成的钢都非常坚韧，用它制甲，在50步外用强弩射它，箭不能入；偶尔射中甲片上用来缝缀的钻眼，箭头的铁竟被钻眼边缘的钢反卷过来。掌握高超的制造技术，目的是提高武器的质量，是最终达到“富国强兵”的变法目的的重要方面。
在此之前，宋朝的武器大多由各地制造，往往粗制滥造，质量低劣。许多刀枪经过剥蚀，锈结成团、没有锋芒；有的盔甲甚至用纸麻缝就，稍一用力就会破烂。有人形容说：别看国家的武器成千上万，可真能派上用场的却少之又少。然而在沈括等人的努力下，军器监成立仅一年多，各种军器生产增加少则一两倍，多则数十倍，而且质量也有了极大的提高。据史书记载：此时各种武器国家准备充足，质量有了保证。真要打仗，可以供应几十年。
三是沈括还研究了作战防御技术。他在进行上两项研究的同时，也研究了城防战术，编著成《修城法式条约》一书。此书记载了当时城防用的敌楼、马面及团敌等防御战术，并总结了防敌筑城的经验。
纵观沈括参与王安石变法的这一时期，可以看出沈括不但是一位积极推行实践新法的政治家，而且还是一位杰出的自然科学家。他参与王安石变法运动态度坚定，为国民办了很多实事。虽然他从河北回京后，王安石曾经相信大臣吕惠卿的谗言，对他产生了怀疑。但是沈括至始至终对王安石表示出尊敬与钦佩，从没有说过半句怨言；就是在新法遭到失败以后，王安石被罢职还乡，沈括在自己的著作中提到他还称之为丞相、荆公，并歌颂他清正的人格和富有革新的精神。
奉命使辽国代理三司使
熙宁七年（1074年），宋辽边境的形势到了剑拔弩张的地步。辽国派遣使者到开封向宋神宗递了国书，指责宋军越过了北方边界，增筑防卫工事，破坏了宋辽和约。
这实际上是辽已不满足于小打小闹，而妄图通过外交途径来占领宋朝的土地。不久以后，两国在边界进行了谈判。因为辽国只想占地，对是否和谈并不感兴趣，甚至还用武力相威胁。结果谈判从夏到冬，没有达成一致，进入僵持阶段。
为了尽快解决边界问题，宋神宗就想派使者直接与辽统治者交涉，可是派谁去合适呢？他很快想到了精明博学的沈括。于是准备让沈括在熙宁八年（1075年）三月使辽。就在这时，辽方增派的使臣萧禧带着国书来到开封。
